CN115159601A

CN115159601A - 一种水样中氘氚的富集回收装置及方法

Info

Publication number: CN115159601A
Application number: CN202210817177.5A
Authority: CN
Inventors: 于涛; 余豪奇; 叶剑华; 尧乐乐
Original assignee: East China Institute of Technology
Current assignee: East China Institute of Technology
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2022-07-12
Publication date: 2022-10-11
Anticipated expiration: 2042-07-12
Also published as: CN115159601B

Abstract

本发明公开了一种水样中氘氚的富集回收装置及方法，涉及核废水处理技术领域，其包括：加热装置，其用于对水样进行加热气化；精馏装置，其用于将水样中的氘氚组分向下迁移，氕组分向上迁移；回流装置，其用于将从精馏装置中扩散出来的蒸气因膨胀减压降温的冷凝液回流至精馏装置内；收集装置，其用于收集回流装置中汽化热较低而继续扩散的蒸气。本发明利用精馏方法，将水样气化，通过多级液化的方法，得到不同含量同位素的样液，从而实现对核素进行分离。

Description

一种水样中氘氚的富集回收装置及方法

技术领域

本发明涉及核废水处理技术领域，具体讲是一种水样中氘氚的富集回收装置及方法。

背景技术

随着核事业日新月异的发展，一些因为核事故导致的历史遗留问题依然很难得到解决，如核废水问题。核废水，指核电站排出的废水。现有技术中，人工处理核废水的方法主要有：

①化学沉淀法：化学沉淀法是将沉淀剂与废水中微量的放射性核素发生共沉淀作用的方法。

②离子交换法：在经过化学沉淀处理过后的核废水中放射性核素都以离子的形式存在，因此可使用离子交换树脂吸附带有放射性核素的粒子。在放射性废水净化中，利用电渗析的方法可以增加离子交换工艺的利用效率。

③吸附法：吸附法是利用多孔性固态物质吸附去除水中重金属离子的一种有效方法。吸附法的关键技术是吸附剂的选择。

氘为氢的一种稳定形态同位素，也被称为重氢，元素符号一般为D或²H。它的原子核由一个质子和一个中子组成。在大自然的含量约为一般氢的7000分之一，用于热核反应。

氚(Tritium)，又称超重氢，是氢的同位素之一，带有放射性。其原子核由一个质子和两个中子组成，会发生β衰变，其半衰期为12.43年，原子量3.016u。氚具有适宜的核物理性质，并具有价廉、毒性较低、比活度较高和放射自显影良好等优点。

核废水中氘氚主要以水分子的形态存在，因此上述核废水处理方法较难实现水中氘氚的分离富集回收/去除。同时，分离得到的低氘水(超轻水)对人体健康有诸多好处，有益于生命体的生存和繁衍，对于人类的健康具有重要意义；氘氚的用途非常广泛，主要用做热核武器，在未来氘氚如果可控核聚变反应堆能够实现，人们对氘和氚的需求将会大大增加，因此实现废水中氘氚核素的分离具有极大的意义。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种水样中氘氚的富集回收装置及方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种水样中氘氚的富集回收装置，包括：

加热装置，其用于对水样进行加热气化；

精馏装置，其用于将水样中的氘氚组分向下迁移，氕组分向上迁移；

回流装置，其用于将从精馏装置中扩散出来的蒸气因膨胀减压降温的冷凝液回流至精馏装置内；

收集装置，其用于收集回流装置中汽化热较低而继续扩散的蒸气。

作为本发明的优选方案，所述精馏装置包括精馏柱，其内填充有填料。

作为本发明的优选方案，所述收集装置包括沿蒸气流动方向依序设置的两级回收容器。

作为本发明的优选方案，末级设置的回收容器之前设置有冷凝装置。

作为本发明的优选方案，末级设置的回收容器上设置有排气管。

作为本发明的优选方案，所述回流装置包括回流容器和液体回流管，液体回流管上设置有蠕动泵，其用于将回流容器内的冷凝液输送至精馏装置内。

本发明还公开了一种水样中氘氚的富集回收装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：启动加热装置100，使具有起始量的水样加热气化，记录开始气化的时间；

步骤二：水样气化后每隔20min加入水样，每次加至起始量，加入总水量所用的时间和总水量，计算出蒸馏一次所用时间，将所有容器中剩余的液体进行核素含量检测，利用总时间与一次蒸馏所用时间可得到整个实验流程中的蒸馏次数，同时得到精馏装置的回流比。

蒸馏一次所用时间指加入总水量所用的时间与加入次数之比，即两次进样之间所用的时间；

回流比是指一定时间内回流装置所返回精馏柱内的液体量，与精馏柱所产生的总的液体的量的比。

本发明的有益效果是：本发明的一种水样中氘氚的富集回收装置，利用精馏方法，将水样气化，通过多级液化的方法，液化采用蒸气膨胀减压降温的方法进行，较传统采用冷凝器的方法更为实用、耗能更低，得到不同含量同位素的样液，从而实现对核素进行分离。

附图说明

图1是本发明优选实施例的结构示意框图，

图2是本发明优选实施例具体结构示意图；

图中，100-加热装置，200-精馏装置，300-回流装置，400-收集装置，1-电热套，2-三颈烧瓶，3-精馏柱，4-填料，5-蠕动泵，6-回流容器，7-一级收集装置，8-冷凝装置，9-二级收集装置，10-液体回流管，11-排气管，12-进料口，13-密封塞，14-蒸气溢出管。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1和2，本发明的优选实施例：

一种水样中氘氚的富集回收装置，包括：

加热装置100，其用于对水样进行加热气化，具体地，加热装置100可以是电热套1，其上放置有三颈烧瓶2；

精馏装置200，其用于将水样中的氘氚组分向下迁移，氕组分向上迁移；

回流装置300，其用于将从精馏装置200的蒸气溢出管14中扩散出来的蒸气因膨胀减压降温的冷凝液回流至精馏装置200内；

收集装置400，其用于收集回流装置300中汽化热较低而继续扩散的蒸气。

本实施例利用精馏方法，将水样气化，通过多级液化的方法，液化采用蒸气膨胀减压降温的方法进行，较传统采用冷凝器的方法更为实用、耗能更低，得到不同含量同位素的样液，从而实现对核素进行分离。

作为本发明的优选实施例，其还可具有以下附加技术特征：

所述精馏装置200包括精馏柱3，其内填充有填料4，具体地，填料4为玻璃珠4，便于气液进行热交换，同时防止暴沸。

所述收集装置300包括沿蒸气流动方向依序设置的两级回收容器，具体地，包括一级收集装置7和二级收集装置9。

末级设置的回收容器之前设置有冷凝装置8，即一级收集装置7和二级收集装置9之间设置有冷凝装置8，冷凝装置8包括烧杯置于烧杯中的冷凝管，烧杯内放有冷凝水，冷凝管置于冷凝水的液面之下。

末级设置的回收容器上设置有排气管11。

所述回流装置300包括回流容器6和液体回流管10，液体回流管10上设置有蠕动泵5，其用于将回流容器6内的冷凝液输送至精馏装置的精馏柱3内。

一种水样中氘氚的富集回收装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：启动加热装置100，使水样加热气化；

步骤二：水样中加热气化的蒸气在回流装置内冷凝回流至精馏装置内，气液进行热交换，氘氚向下迁移，氕继续向上迁移，继续向上的蒸气在回流装置中部分液化，其中汽化热较低的气体分子扩散到下一级的收集装置中。

在具体应用时，检查装置的气密性，容器均设置有密封塞13，检查电热套和蠕动泵的运行情况，均确认无误后往进料口12加入300mL水(取实验室内自来水)，然后打开电热套调低档预热(100℃)，等待大约五分钟后可观查到表面有气泡冒出，打开蠕动泵5调节转速至10r/min，此时装置内大部分空气已被排出，调节电热套1功率至最高档(300℃)，待三颈烧瓶2中实验样液沸腾后调至中档(180℃)，记录此刻的时间。

自三颈烧瓶中液体沸腾后每二十分钟用移液枪加一次水样，每次加至300mL，记录每次所加水量，实验完毕后，统计加入总水量的时间和总水量，计算出蒸馏一次所用时间，将所有容器中剩余的液体进行核素含量检测，同时得到精馏装置回流比。

回流比是指一定时间内回流装置所返回精馏柱内的液体量(回流容器6回流的量)，与精馏柱所产生的总的液体的量的比，精馏柱所产生的总的液体为回流容器6及其回流的液体的量、一级回收装置7、二级回收装置9产生的液体量之和。

稳定同位素组成常用δ值表示，δ值指样品中某元素的稳定同位素比值相对标准(标样)相应比值的千分偏差。目前国际通用的氢同位素标准是由国际原子能委员会(IAEA)和美国国家标准和技术研究所(NIST)颁布的，其主要的分析标准和数据报道是：分析结果均以标准平均大洋水(StandardMeanOceanWater，即SMOW)为标准报导，这是一个假象的标准，以它作为世界范围比较的基点，其D/HSMOW＝(155.76±0.10)×10^-6。事实上并不存在SMOW这样一种物质，它是根据NBS-1定义的。NBS-1是由NBS分发的一个水样，它是用Potome河水制成的蒸馏水，相对SMOW，其氢同位素比值为：δDNBS-1＝-47.6‰。后来IAEA分发了两个用作同位素标准的水样V-SMOW和SLAP其氢同位素比值分别为δDVSMOW＝0‰；δDSLAP＝-428‰。δDVSMOW绝对值越大(即值越负)，说明氢同位素氕所占的比例也越大。因此，下述采用δDVSMOW作为测试值。

在分离了一定数量的自来水样后，取样、检测仪器为同位素质谱仪，MAT-253，所得数据见下表：

水样	测氕氘数据δDVSMOW(‰)
		蒸馏结束后三颈烧瓶中水样	57.92
蒸馏开始前三颈烧瓶中水样	-22.18
		一级收集装置水样	-35.11
二级收集装置水样	-63.87

检测结果显示，蒸馏后三颈烧瓶中氘含量明显高于蒸馏前的三颈烧瓶中水样，且随着收集器级数增多，氘含量减少，这意味着在馏出气体进入收集装置时，含氘核素的水蒸气更易液化。经过对上述数据的分析和计算，得出该装置对氘的分离因数为1.04，远高于U同位素分离的气体扩散法分离因数(1.002，王祥云，刘元方，《核化学与放射化学》，北京大学出版社，2007年)。其具体计算方法如下：

δDVSMOW＝[(R_样品-R_标准物质)/R_标准物质]×1000

其中，R为测得的同位素(氘与氕)的比值，R_样品＝c/(d-c)，c为样品中氘的量，d为同位素总量，(d-c)为样品中氕的量。R_标准物质为常数。

根据同位素分离公式abⁿ＝c，其中a为初始样品中氘的量，b为分离因数，c为分离后样品中氘的量，n为分离级数。

则δDVSMOW＝[(abⁿ/(d-abⁿ)-R_标准物质)/R_标准物质]×1000

由上述方程，以origin软件进行拟合，得出该装置氘的分离因数b为1.04。

在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种水样中氘氚的富集回收装置，其特征在于，包括：

加热装置(100)，其用于对水样进行加热气化；

精馏装置(200)，其用于将水样中的氘氚组分向下迁移，氕组分向上迁移；

回流装置(300)，其用于将从精馏装置中扩散出来的蒸气因膨胀减压降温的冷凝液回流至精馏装置(200)内；

收集装置(400)，其用于收集回流装置(300)中汽化热较低而继续扩散的蒸气。

2.根据权利要求1所述的一种水样中氘氚的富集回收装置，其特征在于，所述精馏装置(200)包括精馏柱(3)，其内填充有填料(4)。

3.根据权利要求1所述的一种水样中氘氚的富集回收装置，其特征在于，所述收集装置(400)包括沿蒸气流动方向依序设置的两级回收容器。

4.根据权利要求3所述的一种水样中氘氚的富集回收装置，其特征在于，末级设置的回收容器之前设置有冷凝装置(8)。

5.根据权利要求4所述的一种水样中氘氚的富集回收装置，其特征在于，末级设置的回收容器上设置有排气管(11)。

6.根据权利要求1所述的一种水样中氘氚的富集回收装置，其特征在于，所述回流装置(300)包括回流容器(6)和液体回流管(10)，液体回流管(10)上设置有蠕动泵(5)，其用于将回流容器(6)内的冷凝液输送至精馏装置(200)内。

7.一种水样中氘氚的富集回收装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤二：水样气化后每隔一定时间加入水样，每次加至起始量，统计加入总水量所用的时间和总水量，计算出蒸馏一次所用时间，将所有容器中剩余的液体进行核素含量检测，利用总蒸馏时间与一次蒸馏所用时间可得到整个流程中的蒸馏次数，同时得到精馏装置的回流比。